监测渗流对冻结温度场影响的试验装置及方法与流程

本发明属于人工地层冻结法施工领域，特别涉及一种监测渗流对冻结温度场影响的试验装置及方法。

背景技术：

在煤矿立井冻结法施工过程中，渗流场会引起冻结温度场在各个方位发展不均衡，导致形成的冻结壁厚度在各个方向存在差异，这使得传统的冻结壁平均温度、冻结壁厚度、井帮温度等计算方法出现了较大偏差，目前关于渗流场对冻结温度场的影响一直是采用传统的施工经验来进行评价的，该方法存在较大的主观性，因此将渗流对冻结温度场的影响进行准确量化的研究是非常有必要的。

目前关于渗流对冻结温度场的影响的试验方法还缺少系统的理论，因此探究一种监测渗流对冻结温度场影响的方法及装置是具有重要意义的。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种监测渗流对冻结温度场影响的试验装置及方法，可以达到将渗流对冻结温度场的影响进行准确量化的研究的目的。

本发明提供了一种监测渗流对冻结温度场影响的试验装置，所述装置包括：

渗流系统，所述渗流系统包括箱体，变频泵和恒温水箱；所述箱体用于提供渗流对冻结温度场影响的试验场所，所述变频泵用于将所述恒温水箱中的清水输送至所述箱体；

冻结系统，所述冻结系统包括冷冻机和冻结管，所述冷冻机用于制取冷冻剂并将冷冻剂通过管道输送至所述冻结管，所述冻结管位于所述箱体内部；

温度监测系统，包括温度数据采集仪和热电偶串，所述温度数据采集仪和所述热电偶串通过测线连接，所述热电偶串位于所述箱体内部，用于测量所述箱体内部的温度。

优选地，所述箱体由两个滤网分割成左、中、右三部分，两端的左、右部分的形状相同，均用来容纳石子，中间的部分用于容纳砂；

优选地，所述箱体为长方体形状，其顶部开口；

优选地，所述箱体的中间的部分的体积是两端的部分中的任意一个的5-7倍，优选为6倍。

优选地，所述箱体的顶部的开口处具有盖板，用以将所述箱体密封；所述盖板为三个，包括一个用于密封所述箱体中间段的第一盖板和用于密封所述箱体两端的部分的两个第二盖板；

优选地，所述第一盖板上设有纵向排列的两排共三个通孔，用于引出所述冻结管，一个引线孔，用以引出测线，和一个压力表接孔，用以引出外接的箱体压力表；

进一步优选地，其中两个所述通孔的连线为竖直方向。

优选地，所述滤网包括一个大孔网和一个小孔网；所述大孔网用于承受来自砂和石子的侧压力，所述小孔网用来阻挡砂的流失；

所述大孔网的孔径大于石子的粒径，为10-40mm，优选为20mm；所述小孔网的孔径为大于砂的粒径，为100-400目，优选100目；

优选地，所述大孔网和小孔网均为钢丝网；

优选地，所述大孔网和小孔网夹在角钢边框中间，并通过螺栓将角钢边框与大孔网和小孔网固定，两个所述滤网的角钢边框均被焊接在所述箱体的底面及侧面上。

优选地，所述箱体的两端均具有进/出水管；

优选地，所述箱体的两端均具有均匀分布且相对设置的规格相同的进/出水管，所述箱体两端的进/出水管两两相对设置。

进一步优选地，所述箱体的两端均具有两排、每排四根进/出水管。

优选地，所述变频泵包括泵体、变频器和压力表；

所述泵体的一端通过管道与所述恒温水箱相连；另一端经过所述压力表后通过管道与清水分流器相连，在该管道上还设置有进水控制阀和流量计；

所述清水分流器与所述箱体一端的进/出水管相连，并将清水均匀的分配给所述进/出水管；

所述箱体另一端的所述进/出水管通过清水集流器聚集到一根管道上，在该管道上设置出水流量计和出水控制阀；在该管道的末端设置有出水龙头；

所述变频器用于控制所述泵体，以提供稳定的流量并且同时监测压力，并结合所述流量计及所述进水控制阀实现对清水流量的实时显示及控制；

优选地，所述流量计和所述出水流量计均为电磁流量计；

优选地，所述变频泵还包括稳压罐，所述稳压罐与所述泵体的出水端相连，起平衡水量及压力的作用。

优选地，所述冻结系统包括冷冻机、进液干管、进液分流器、冻结管、出液分流器和出液干管；

所述冻结管由内管和套于所述内管外部的外管组成，且所述内管和所述外管在所述冻结管的底部连通；

所述冷冻机通过所述进液干管和所述进液分流器与所述内管连接；所述外管通过所述出液分流器和所述出液干管再与冷冻机连接；从而使得冷冻剂从所述冷冻机内，经由所述进液干管、所述进液分流器、所述冻结管、所述出液分流器和所述出液干管，再流回到所述冷冻机内，形成一个循环；

所述出液分流器用于连接所述冻结管和所述出液干管，从而将所述冻结管中的冷冻剂聚集起来送回所述冷冻机；

优选地，所述冻结管共设置三根，分别通过位于所述第一盖板上设置的纵向排列的两排共三个通孔进入所述箱体内；所述进液分流器用于连接所述进液干管和所述冻结管，以保证流入每根所述冻结管的冷冻剂是相等的；

优选地，三根所述冻结管位于所述箱体外部的部分均设置有阀门，以控制所述冻结管的开启和关闭，从而控制冷冻剂进入或流出所述冻结管；

优选地，位于所述箱体外部部分的所述冻结管以及所述进液干管和所述出液干管均用保温材料紧密缠绕；

优选地，所述冷冻剂为cacl2溶液和/或酒精，优选为酒精。

优选地，所述热电偶串为康铜-铜热电偶串；

优选地，所述热电偶串为多个，均位于所述箱体的内部，用于测量所述箱体内部的相应位置处的温度，并将温度转换为电信号，然后通过所述测线传输到所述温度数据采集仪；

优选地，所述热电偶串形成三个温度测试面，包括一个主测试面和两个辅助测试面；其中，所述主测试面位于所述箱体的填有砂的中间部分，两个所述辅助测试面分别位于主测试面的上面和下面，且与主测试面的距离相同；

进一步优选地，两个所述辅助测试面与所述主测试面的距离均为50mm；

进一步优选地，所述主测试面包括第一至第四共四条热电偶串；其中，分布在前排单根冻结管位置的第一热电偶串有4个测点，第二热电偶串有9个测点；第一热电偶串和第二热电偶串的一共13个测点沿着所述冻结管围成内圈、中圈和外圈三圈测点，所述内圈测点有5个，所述中圈测点有4个，所述外圈测点有4个；分布在后排两根冻结管位置的第三热电偶串有8个测点，第四热电偶串有21个测点；所述第三热电偶串和所述第四热电偶串的一共29个测点沿着两个所述冻结管分别围成内圈、中圈和外圈三圈测点以及4个位于两个所述冻结管的连线的垂线上的测点，围绕上面的所述冻结管的所述内圈测点有5个，所述中圈测点有4个测点，所述外圈测点有4个，围绕下面的所述冻结管的所述内圈测点有5个，所述中圈测点有4个，所述外圈测点有4个；由此，所述主测试平面共42个测点；优选地，每个所述辅助测试平面均有一条第五热电偶串，每条所述第五热电偶串均有5个测点，5个所述测点中的4个以所述前排单根冻结管为圆心成一圈排布，另一个测点位于所述后排两根冻结管的连线的中点处，由此两个所述辅助平面共10个测点。

本发明还提供了一种监测渗流对冻结温度场影响的试验方法，所述方法包括使用上述任意一个所述的监测渗流对冻结温度场影响的试验装置进行包括如下步骤的操作：

(1)通过所述变频泵将所述箱体内的砂中渗流水速度达到并维持第一设计值，然后通过所述冻结系统，使用冻结系统中的一根冻结管将所述箱体内的砂中的水冻结，形成冻结壁，记录冻结所需时间和所述温度检测系统中的温度测点测得的温度数据；

(2)解冻步骤(1)中形成的所述冻结壁，然后通过所述变频泵将所述箱体内的砂中渗流水速度达到并维持第二设计值，然后通过所述冻结系统，使用冻结系统中的两根冻结管将所述箱体内的砂中的水冻结，形成冻结壁，记录冻结所需时间和所述温度检测系统中的温度测点测得的温度数据；

(3)解冻步骤(2)中形成的所述冻结壁，然后通过所述变频泵将所述箱体内的砂中渗流水速度达到并维持第三设计值，然后通过所述冻结系统，使用冻结系统中的三根冻结管将所述箱体内的砂中的水冻结，形成冻结壁，记录冻结所需时间和所述温度检测系统中的温度测点测得的温度数据；

(4)解冻步骤(3)中形成的所述冻结壁，然后通过所述变频泵将所述箱体内的砂中渗流水速度调整为零，然后通过所述冻结系统，按照步骤(1)至步骤(3)中的操作方式依次分别使用冻结系统中的一根、两根和三根冻结管将所述箱体内的砂中的水冻结，形成冻结壁，分别记录冻结所需时间和所述温度检测系统中的温度测点测得的温度数据；

(5)解冻步骤(4)中形成的所述冻结壁，然后改变所述箱体内的砂中渗流水的方向，再按照上述操作方式通过所述变频泵依次分别将所述箱体内的砂中渗流水速度调整为第一设计值、第二设计值和第三设计值，然后通过所述冻结系统，按照步骤(3)中的操作方式使用冻结系统中的三根冻结管将所述箱体内的砂中的水冻结，形成冻结壁，分别记录冻结所需时间和所述温度检测系统中的温度测点测得的温度数据；

根据上述记录的冻结所需时间和所述温度检测系统中的温度测点测得的温度数据，监测渗流对冻结温度场影响，为冻结法施工提供重要的参考数据。

优选地，所述第一设计值为25m/d，所述第二设计值为50m/d，第三设计值为100m/d；

优选地，根据几何相似准则公式制作冻结管，并确定冻结管的间距，考虑边界条件及几何相似准则制作箱体，并制作与箱体配套的滤网及进液分流器和出液分流器；所述几何相似准则公式为，其中，lm为模型对应的尺寸，lp为实际设计与施工中对应的尺寸，cl为几何相似准则；进一步优选地，所述几何相似准则为cl＝1-22，优选为5；

优选地，将所述箱体内的砂中的水冻结，形成冻结壁的操作方式包括：开启冷冻机，将冷冻机内的冷冻剂冷却至设计温度；然后使达到设计温度的酒精通过进液干管和进液分流器进入位于所述箱体内的冻结管，再经过出液分流器和出液干管流回冷冻机，形成冻结循环，直至所述箱体内的砂中的水冻结，形成冻结壁；优选地，所述酒精的设计温度为-20～-35℃，优选为-30℃；

优选地，解冻所述冻结壁的操作方式包括：将酒精的温度提高至-20～-30℃，优选-25℃，然后将酒精输入所述冻结管中，使酒精循环从而对所述箱体内的冰进行快速解冻，同时通过温度监测系统判断解冻情况，解冻完成后，停止酒精循环；当测得的所有的温度测点的温度都超过室温时，关闭酒精循环，将恒温水箱内水的温度设置成7℃，开启清水循环，通过水的流动，箱体中不同位置的砂的温度逐渐趋于相等，直到所有温度测点的温度都接近室温时，解冻完成；

优选地，改变所述箱体内的砂中渗流水的方向的操作方式包括：卸下出水龙头与变频泵，将变频泵的泵体的出水口与箱体的另一端的清水集流器相连接，以此来改变清水的渗流方向。

本发明提供的监测渗流对冻结温度场影响的试验装置及方法可以达到将渗流对冻结温度场的影响进行准确量化的研究目的，降低了操作难度，对渗流方向和流速的更换时间和工作强度都大大减小，同时节约了成本。

本发明的其他特征和优点将在如下的具体实施方式部分详细描述。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1示出了本发明的优选实施例的监测渗流对冻结温度场影响的试验装置的结构。

图2示出了本发明优选实施例的箱体的俯视透视图(示出了第一盖板和第二盖板以及进/出水管的结构和位置)。

图3示出了本发明优选实施例的滤网的结构。

图4示出了本发明优选实施例的箱体的侧视透视图(示出进/出水管和冻结管的结构和位置)。

图5示出了本发明优选实施例的主测试面的温度测点的布置位置。

图6示出了本发明优选实施例的辅助测试面的温度测点的布置位置。

图7示出了本发明优选实施例的试验方法中，前排单根冻结管周围的内圈上的测点(第6测点)与外圈上的测点(第1测点)的温度随时间的变化的曲线图。

图8和图9示出了本发明优选实施例的试验方法中，水的渗流速度不为零的情况下，前排单根冻结管周围的中圈上的测点(第7和第11测点)以及外圈上的测点(第6、8和12测点)的温度随时间变化的曲线图。

图10示出了本发明优选实施例的试验方法中，界面测点位置(即：沿水流方向的位置)和温度之间的关系曲线。

图11示出了本发明优选实施例的试验方法中，轴面测点位置(即：沿着垂直于水流方向的位置)和温度之间的关系曲线。

图12示出了本发明优选实施例的试验方法中，三种渗流速度状态下，位于后排的两管中心测点的温度随时间的变化情况。

图13示出了本发明优选实施例的试验方法中，三种渗流速度状态下，使用三根冻结管进行冻结试验时，位于后排的两根冻结管中心测点的温度随时间的变化情况。

其中，图中的附图标记说明如下：

11箱体12滤网13第一盖板14第二盖板

15进/出水管16砂17石子18箱体压力表

20冷冻机21进液干管22进液分流器23冻结管

24出液分流器25出液干管30温度数据采集仪

31测线32热电偶串40恒温水箱41泵体

42变频器43压力表44稳压罐45进水控制阀

46流量计47清水分流器48清水集流器

49出水流量计50出水控制阀51出水龙头

121大孔网122小孔网123角钢边框124螺栓

131通孔132引线孔133压力表接孔

321第一热电偶串322第二热电偶串323第三热电偶串

324第四热电偶串325第五热电偶串

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

根据本发明的第一个方面，如图1所示，本发明提供了一种监测渗流对冻结温度场影响的试验装置，该装置包括渗流系统、冻结系统和温度监测系统。

渗流系统包括箱体11(试验箱体)、变频泵和恒温水箱40。

箱体11可以为长方体形状，其顶部开口，并由两个滤网12分割成左、中、右三部分。优选地，被左侧的滤网12分割开来的左侧的一部分与被右侧的滤网12分割开来的右侧的一部分的形状相同；更优选地，箱体11中间的一部分的横截面的长度(或体积)是左、右两部分(两端的部分)之中任意一个的5-7倍，优选6倍。这样的空间分配可以保证箱体11的中间部分容纳足量的砂，水流入后可以形成较均匀的层流，从而达到更好的试验效果。箱体11中间的一部分用来容纳砂16，左、右两部分(两端的部分)均用来容纳石子17，以形成缓冲室，从而对进入箱体11内的水流进行缓冲，在箱体11的中间部分形成稳定的渗流。其中，砂16选用中粗砂，平均粒径可以为0.40-0.60mm，例如0.40mm、0.45mm、0.50mm、0.55mm和0.60mm中的任意一个数值或者任意两个数值之间的范围。石子17的平均粒径可以为40-60mm，例如40mm、45mm、50mm、55mm和60mm中的任意一个数值或者任意两个数值之间的范围。

箱体11的顶部开口处可以具有盖板，用以将箱体11密封。由于箱体11由两个滤网12分割成三段，所述盖板可以为三个，包括一个用于密封箱体11中间段的第一盖板13(或称为大盖板)和用于密封箱体11左、右两部分(两端的部分)的两个第二盖板14(或称为小盖板)。

如图2所示，第一盖板13上设有纵向排列的两排共三个通孔131、一个引线孔132和一个压力表接孔133。三个通孔131用于引出冻结管23。三个通孔131优选呈梅花形(即：等腰三角形或等边三角形)布置。优选地，其中两个通孔131的连线为竖直方向。一个引线孔132用以引出测线31。一个压力表接孔133用以引出外接的箱体压力表18。箱体压力表18用以监测箱体11内部液体的压力变化情况。

箱体11的两端均具有进/出水管15。优选地，如图2所示，箱体11的两端均具有均匀分布且相对设置的进/出水管15。优选地，规格相同的进/出水管15在每个端部设置为两排、每排四根(一个端部共设置八根。由于视角关系，两端均只示出了一排四根)。如图4所示，即进/出水管15在箱体11的两端共设置有十六根。箱体11两端的进/出水管15两两相对设置(即，在一个水平线上，箱体11左端和右端均具有一根进/出水管15)。在箱体11的两端分别均匀分布的八根进/出水管15可以使水流比较均匀的进入箱体11，经过填充的砂16和石子17后可以保证水流形成均匀的层流状态，进而保证流入箱体11中间填有砂16部分的液体较好的模拟自然界的渗流状态；而箱体11两端相同的设置可以实现改变渗流的流向，进行双向渗流对冻结温度场的影响的对比试验。本发明对箱体11的两端的进/出水管15的数量不做具体限定，可以根据实际需要选择。例如，在其他的具体实施方式中，根据箱体11的大小，进/出水管15在箱体11的每个端部均匀设置为两排、每排三根(一个端部共设置六根)或者两排、每排五根(一个端部共设置十根)等等。

如图3所示，滤网12可以包括一个大孔网121和一个小孔网122。大孔网121的孔径大于石子17的粒径，可以为10-40mm，例如10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm和40mm中的任意一个数值或者任意两个数值之间的范围，优选为20mm。小孔网122的孔径大于砂16的粒径，可以为100-400目，例如，100目、150目、200目、250目、300目、350目和400目中的任意一个数值或者任意两个数值之间的范围，优选100目。大孔网121和小孔网122均可以为钢丝网。大孔网121用于承受来自砂16和石子17的侧压力，小孔网122用来阻挡砂16的流失。大孔网121和小孔网122夹在角钢边框123中间，并通过螺栓124将角钢边框123与大孔网121和小孔网122固定。两个滤网12的角钢边框123均被紧密焊接在箱体11的底面及侧面上。

如图1所示，变频泵包括泵体41、变频器42、压力表43和稳压罐44。泵体41的一端通过管道与恒温水箱40相连；另一端经过压力表43后通过管道与清水分流器47相连，在该管道上还设置有进水控制阀45和流量计46(优选为电磁流量计)。稳压罐44与泵体41的出水端相连，起平衡水量及压力的作用。进水控制阀45用以控制清水的流动。流量计46用以统计流过的清水的量。清水分流器47与箱体11一端的进/出水管15相连，并将清水均匀的分配给八根进/出水管15。箱体11另一端的八根进/出水管可以通过清水集流器48聚集到一根管道上，在该管道上可以设置出水流量计49(优选为电磁流量计，即出水电磁流量计)和出水控制阀50；在该管道的末端可以设置出水龙头51。变频器42用于控制泵体41，以提供稳定的流量，并结合流量计46及进水控制阀45实现对清水流量的实时显示及控制。压力表43用以监测稳压罐44内的压力变化。

冻结系统包括冷冻机20、进液干管21、进液分流器22、冻结管23、出液分流器24和出液干管25，用以制取并向箱体11内输入冷冻剂。

冻结管23由内管和套于所述内管外部的外管组成，且内管和外管在冻结管23的底部连通。如图1所示，冷冻机20通过进液干管21和进液分流器22与冻结管23连接(即与冻结管23的内管连接)；冻结管23(即与冻结管23的外管)通过出液分流器24和出液干管25再与冷冻机20连接；从而使得冷冻剂从冷冻机20内，经由进液干管21、进液分流器22、冻结管23、出液分流器24和出液干管25，再流回到冷冻机20内，形成一个循环。

如图2和4所示，冻结管23共设置三根，分别通过位于第一盖板13上设置的纵向排列的两排共三个通孔131进入箱体11内。进液分流器22用于连接进液干管21和冻结管23，以保证流入每根冻结管23的冷冻剂是相等的，从而保证冻结效果。出液分流器24用于连接冻结管23和出液干管25，从而将冻结管23中的冷冻剂聚集起来送回冷冻机20。冻结管23的三根管位于箱体11外部的部分可以设置阀门，以控制冻结管23的开启和关闭，从而控制冷冻剂进入或流出冻结管23。位于箱体11外部部分的冻结管23以及进液干管21和出液干管25均用保温材料紧密缠绕。

温度监测系统，包括温度数据采集仪30、测线31和热电偶串32，用以检测箱体11内的温度。

如图1所示，温度数据采集仪30通过测线31与热电偶串32相连。其中，温度数据采集仪30可以为tds温度数据采集仪，例如可以为购自日本东京测器研究所生产的tds-602静态数据采集仪。热电偶串32可以为康铜-铜热电偶串。热电偶串32可以为多个，均位于箱体11的内部，用于测量箱体11内部的相应位置处的温度，并将温度转换为电信号，然后通过测线31传输到温度数据采集仪30。

参考图5和图6，优选地，热电偶串32形成三个温度测试面，包括一个主测试面和两个辅助测试面(主测试面如图5所示，辅助测试面如图6所示)。优选将三个温度测试面水平设置，有利于测点的埋设。其中，主测试面位于箱体11的填有砂16的中间部分，两个辅助测试面分别位于主测试面的上面和下面，两个辅助测试面均与主测试面平行设置，且与主测试面的距离相同，例如，与主测试面的距离均为50mm。优选地，如图5所示，主测试面包括第一至第四共四条热电偶串321、322、323和324。其中，分布在前排单根冻结管位置的第一热电偶串321有4个测点，第二热电偶串322有9个测点；第一热电偶串321和第二热电偶串322的一共13个测点沿着冻结管围成内圈、中圈和外圈三圈测点，如图5所示，内圈测点有5个(如图5中的第6、8、9、10和12测点)，中圈测点有4个(如图5中的第5、7、11和13测点)，外圈测点有4个(如图5中的第1、2、3和4测点)。分布在后排两根冻结管位置的第三热电偶串323有8个测点，第四热电偶串324有21个测点；第三热电偶串323和第四热电偶串324的一共29个测点沿着两个冻结管分别围成内圈、中圈和外圈三圈测点以及4个位于两个冻结管的连线的垂线上的测点(图5中的第15、25、39和19测点，其中，第15测点位于第14和第16测点的连线上，第25测点位于第24和第26测点的连线上，第39测点位于第38和第40测点的连线上，第19测点位于第18和第20测点的连线上)，如图5所示，围绕上面的冻结管的内圈测点有5个(如图5中的第27、29、30、31和41测点)，中圈测点有4个(如图5中的第26、28、40和42测点)，外圈测点有4个(如图5中的第16、17、18和32测点)，围绕下面的冻结管的内圈测点有5个(如图5中的第23、33、34、35、和37测点)，中圈测点有4个(如图5中的第22、24、36和38测点)，外圈测点有4个(如图5中的第14、20、21和32测点)。由此，主测试平面共42个测点。优选地，如图6所示，每个辅助测试平面均有一条第五热电偶串325，每条第五热电偶串325均有5个测点，5个测点中的4个以前排单根冻结管为圆心成一圈排布(如图6中的第43、44、45和46测点)，另一个测点位于后排两根冻结管的连线的中点处(如图6中的第47测点)，由此两个辅助平面共10个测点。

下面参考图1-13，具体说明根据本发明的第二个方面的监测渗流对冻结温度场影响的试验方法。

根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种监测渗流对冻结温度场影响的试验方法，该方法包括使用根据本发明的第一个方面的监测渗流对冻结温度场影响的试验装置，按照包括如下步骤的方法进行：

(1)根据几何相似准则公式制作冻结管23，并确定冻结管23的间距，考虑边界条件及几何相似准则制作箱体11(试验箱体)，并制作与箱体11配套的滤网12及进液分流器22和出液分流器24；

根据本发明，优选地，在煤矿立井冻结法施工过程中，冻结管的直径一般为100mm，冻结管的管间距一般为1200mm，冻结管的排距一般为2000mm；因此，根据几何相似准则公式lm＝lp/cl(其中，lm为模型对应的尺寸，lp为实际设计与施工中对应的尺寸)，当cl为5时，得出冻结管23的直径为20mm，冻结管的管间距可以为240mm，冻结管的排距可以为400mm。

根据本发明，所述几何相似准则可以为cl＝1-22，例如，可以为1、3、5、7、9、11、13、15、17、19、21和22中的任意一个数值或者任意两个数值之间的范围，优选为5。

所述冷冻剂可以为cacl2溶液和/或酒精。由于cacl2溶液的腐蚀性较强，长期使用会对试验设备造成较大的损害，因此优选为酒精。

(2)向箱体11的中间部分填砂16，并按照温度测点布置方案埋设热电偶串32，向箱体11的两端部分填入石子17，形成两端的缓冲室。

根据本发明，所述温度测点布置方案可以为如图5和6所示的一个主测试平面共42个测点和两个辅助测试平面共10个测点的布置方式，具体描述参见上述，在此不再赘述。

根据本发明，步骤(2)还包括对砂16进行饱和砂的渗透系数试验，确定试验所用砂的渗透系数的步骤。所述饱和砂的渗透系数试验的方法可以按照《土工试验方法标准gb/t50123-1999》中的方法进行。

(3)将箱体11的中间部分用第一盖板13密封，两端部分分别用一块第二盖板14密封，并通过第一盖板13上的三个通孔131引出冻结管23，通过引线孔132引出测线31，通过压力表接孔133引出外接的箱体压力表18。

(4)待试验装置组装完成后进行调试，保证各个系统能正常工作和相互协调工作。调节恒温水箱40中的水温在7-10℃，优选7℃，开启变频泵，调节进水控制阀45以及出水控制阀50以改变箱体11内的水压力，控制通过砂16的清水流量，使砂16中渗流水速度达到第一设计值，并形成稳定的地层渗流，并保持该渗流状态。

根据本发明，步骤(4)中，所述第一设计值可以为25m/d(米/天)，按照相似比v＝v1/cl(其中，v为本实施方式中水的渗流速度的设计值、v1为实际工况中地下水的渗流速度，c1为几何相似准则值)，取c1为5换算后对应实际工况中的地下水渗流速度为5m/d。其中，实际工况指的是竖井冻结施工过程中实际遇到地下水的渗流速度。

(5)开启冷冻机20，将冷冻剂(例如酒精)冷却至设计温度；然后使达到设计温度的酒精通过进液干管21和进液分流器22进入位于箱体11内的冻结管23中靠近箱体压力表18方向的一根冻结管131，再经过出液分流器24和出液干管25流回冷冻机20，形成冻结循环。

根据本发明，步骤(5)中，酒精的设计温度是指酒精作为冷冻液时的温度，可以为-20～-35℃，优选为-30℃。

根据本发明，步骤(5)中，通过开启冷冻机20，形成冻结循环模拟系统，并记录打开冷冻机20的时间。

(6)通过温度监测系统进行温度数据的采集，并以温度数据为依据判断冻结壁的形成情况。

根据本发明，步骤(6)中，当温度测点的温度达到-2℃时，即认为该处已经形成冻结壁。

(7)关闭冷冻机20，停止供应冷冻剂，关闭冻结管23，中止试验，并记录时间。根据打开冷冻机20的时间和关闭冷冻机20的时间，获得冻结所需时间。

(8)将酒精的温度提高至20～30℃，优选25℃，然后将酒精输入冻结管23中，使酒精循环从而对箱体11内的冰进行快速解冻，同时通过温度监测系统判断解冻情况，解冻完成后，停止酒精循环。

当测得的所有的温度测点的温度都超过室温时，关闭酒精循环，将恒温水箱40内水的温度设置成7℃，开启清水循环，通过水的流动，箱体中不同位置的砂16的温度逐渐趋于相等，直到所有温度测点的温度都接近室温(7℃左右)时，解冻完成。

由于试验过程中，室温(7～8℃)变化不大，因此在每次试验之前，统一将箱体11内的温度控制在室温左右，从而便于试验的操作以及试验结果的对比。

(9)按照步骤(5)中的操作方式，将达到设计温度的酒精送入位于箱体11内的冻结管23中的远离箱体压力表18方向的两根冻结管131，并按照步骤(5)-(8)中的操所方式进行操作。

(10)按照步骤(5)中的操作方式，将达到设计温度的酒精送入位于箱体11内的冻结管23中的全部三个，并按照步骤(5)-(8)中的操作方式进行操作。

(11)按照步骤(4)中的操作方式操作，使砂16中渗流水速度达到第二设计值；然后按照步骤(5)-(10)中的操作方式进行操作。

根据本发明，步骤(11)中，所述第二设计值可以为50m/d，按照相似比v＝v1/cl，取c1为5换算后对应实际工况中地下水渗流速度为10m/d。

(12)按照步骤(4)中的操作方式操作，使砂16中渗流水速度达到第三设计值；然后按照步骤(5)-(10)中的操作方式进行操作。

根据本发明，步骤(12)中，所述第三设计值可以为100m/d，按照相似比v＝v1/cl，取c1为5换算后对应实际工况中地下水渗流速度为20m/d。

(13)关闭变频泵，使砂16中渗流水速度为0，即砂16处于无渗流状态，然后按照步骤(5)-(10)中的操作方式进行操作。

(14)改变水的渗流方向，然后按照步骤(4)中的操作方式操作，使砂16中渗流水速度达到第一设计值；然后按照步骤(10)中的操作方式进行操作。

根据本发明，步骤(14)中，改变水的渗流方向的操作可以为：卸下出水龙头51与变频泵，将变频泵的泵体41的出水口与箱体11的另一端的清水集流器48相连接，以此来改变清水的渗流方向。

(15)按照步骤(4)中的操作方式操作，使砂16中渗流水速度达到第二设计值；然后按照步骤(10)中的操作方式进行操作。

(16)按照步骤(4)中的操作方式操作，使砂16中渗流水速度达到第三设计值；然后按照步骤(10)中的操作方式进行操作。

(17)数据整理与处理。

以下通过试验数据说明本发明的效果：

以下叙述中，涉及的水的渗流速度均为实际工况中的地下水渗流速度。

一、单管数据分析

(1)相同的渗流速度下不同测点温度随时间变化分析

参考图5，将前排单根冻结管周围的内圈上的测点(第6测点)与外圈上的测点(第1测点)的温度随时间的变化绘制成曲线图(如图7所示，其中，曲线701为第1测点的温度随时间变化的曲线，曲线702为第6测点的温度随时间变化的曲线)。

由图7可见，由于内圈上的测点距离冻结管更近，所以内圈上的测点(第6测点)的降温速度更快，最终温度也越低；初始温度相同情况下，内圈上的测点与外圈上的测点(第1测点)的温差随冻结时间越变越大，最终温差达到4℃，内圈降低了16℃，外圈降低了12℃，内圈温度比外圈多降低了33％。

将在水的渗流速度不为零的情况下，前排单根冻结管周围的中圈上的测点(第7和第11测点)以及外圈上的测点(第6、8和12测点)的温度随时间变化绘制成曲线图(图8中示出了水的渗流速度为5m/d时的曲线，图9中示出了水的渗流速度为10m/d时的曲线；其中，曲线801和901为第7测点的温度随时间变化的曲线，曲线802和902为第6测点的温度随时间变化的曲线，曲线803和903为第12测点的温度随时间变化的曲线，曲线804和904为第8测点的温度随时间变化的曲线，曲线805和905为第11测点的温度随时间变化的曲线)。

由图8和图9可见，在水的渗流速度不为零的情况下，上游测点温度比下游的测点温度要高(其中，“上游”和“下游”是根据水流的方向定义的，“上游”是指水流先流过的位置，“下游”是指水流后流过的位置)：当水的渗流速度为5m/d时，上游内圈的第6测点上的温度降低了12.5℃，下游中圈上的第11测点的温度降低了15.6℃，下游测点温度比上游多降低了24.8％，上游中圈上的第7测点的温度降低了10.2℃，下游内圈上的第12测点温度降低了11.8℃，下游中圈上的测点温度比上游多降低了15.7％。当水的渗流速度为10m/d时，上游内圈上的第6测点的温度降低了11.6℃，下游中圈上的第11测点的温度降低了14.3℃，下游测点温度比上游多降低了23.3％，上游中圈上的第7测点的温度降低了10.6℃，下游内圈上的第12测点的温度降低了11.3℃，下游中圈上的测点温度比上游多降低了6％。可见，总体呈现为上游温度高于中游温度，中游温度高于下游温度。

(2)温度随位置变化分析

将相同时刻不同位置的测点温度绘制成曲线图。

图10示出了界面测点位置(即：沿垂直于水流方向的位置)和温度之间的关系曲线，其中，曲线1001示出了水的渗流速度为0m/d时，冻结15小时后的曲线；1002示出了水的渗流速度为5m/d时，冻结15小时后的曲线；1003示出了水的渗流速度为10m/d时，冻结15小时后的曲线；图10中，横坐标“界面测点位置”是指垂直于水流方向的位置，横坐标的单位是厘米，横坐标的“0”指代的是冻结管所在的位置。

由图10可见，从沿水流方向位置与温度关系图可以看出距离中心点越近的测点温度越低，且中心点左右不对称，上游的距离中心点越近的位置，温度梯度越密集，下游的温度梯度比较平缓一些，距离中心点同样远的位置，下游的温度明显要低于上游，说明上游的冷量被水带到了下游。在不同渗流速度下也对温度位置有着不同程度的影响：15天时在下游距离中心点6厘米的测点，无渗流速度时所测的温度要比有渗流速度时低(比5m/d低1℃，比10m/d低3.5℃)；上游距离中心点6厘米的无渗流速度时测点温度要比5m/d低0.6℃，比10m/d低2.2℃。

图11示出了轴面测点位置(即：沿着水流方向的位置)和温度之间的关系曲线，其中，曲线1101示出了水的渗流速度为0m/d时，冻结15小时后的曲线；1102示出了水的渗流速度为5m/d时，冻结15小时后的曲线；1103示出了水的渗流速度为10m/d时，冻结15小时后的曲线；图10中，横坐标“轴面测点位置”是指沿着水流方向的位置，横坐标的单位是厘米，横坐标的“0”指代的是冻结管所在的位置。

由图11可见，从垂直于水流方向位置与温度关系图可以看出距离中心点越近的测点温度越低，且中心点左右位置温度差不多是对称的关系，有点不对称可能是由于沙土的密度对测点的位置有一点点的偏差所造成的。渗流速度越大，带走的冷量就越多，造成测点的温度就越高，所以无渗流速度时的温度小于渗流速度为5m/d时的温度，渗流速度为5m/d时的温度小于渗流速度为10m/d时的温度。

二、双管交圈时间研究

位于后排的两根冻结管中心位置的测点的温度分布情况是判断两根冻结管形成冻结壁是否交圈的重要依据。

图12示出了三种渗流速度状态下，位于后排的两管中心测点的温度随时间的变化情况；其中，曲线1201示出了水的渗流速度为0m/d时的曲线，曲线1202示出了水的渗流速度为5m/d时的曲线，曲线1203示出了水的渗流速度为10m/d时的曲线。

由图12可见，从该测点温度分布图可以看出，对应相同的地下水渗流速度，温度分布曲线分为三个阶段：在积极冻结前期未冻土降温阶段，温度急剧下降；随后进入相变阶段，此时随着两根冻结管形成的冻结壁之间的距离减小，实际通过两管中间的水的渗流速度远远大于初始的设计值，水流带走大量热量，导致温度下降至0℃左右时保持一段时间的相对稳定；随着冻结程度的进一步加深，两根冻结管的冻结范围逐渐增大，在两根冻结管形成的冻结壁成功交圈后，水流无法从两管中间流过，在两根冻结管的影响下，测点的温度再次急剧下降；在冻结后期曲线趋于平缓，降温速度缓慢。

对比不同地下水渗流速度下的温度分布曲线可以发现，由于水流带走了部分热量，导致无渗流速度状态下的冻结曲线要低于有渗流速度的情况。三种状态下，进入相变阶段的时间点大致相同，但是无渗流速度状态下首先进入第二次急剧下降的阶段，即表明两根冻结管形成的冻结壁首先交圈，而有渗流速度的交圈时间明显晚于无渗流速度的状态，其中渗流速度为5m/d的交圈时间迟于无渗流速度状态约24.5％，而渗流速度10m/d的交圈时间迟于无渗流速度状态约34.3％。

三、三管优化结果分析

通过在水流上游增设一根冻结管来对原有的冻结方案进行优化(即：使用图1中所示的三根冻结管进行冻结试验)，通过对比相同测点的温度分布曲线来判断优化结果。

图13示出了三种渗流速度状态下，使用三根冻结管进行冻结试验时，位于后排的两根冻结管中心测点的温度随时间的变化情况；其中，曲线1301示出了水的渗流速度为0m/d时的曲线，曲线1302示出了水的渗流速度为5m/d时的曲线，曲线1303示出了水的渗流速度为10m/d时的曲线。

通过比较图13和图12可见，采取在上游增设冻结管的方法可以缩短有渗流速度与无渗流速度的交圈时间的差别，从而说明选用的优化方法更加有效。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。